振动对成像质量的影响及恢复研究

逄鹏

摘 要：为了降低相机平台不规则振动造成的图像退化，提出了一种应用图像复原的减振补偿方法来提高测量精度。分析了平台振动造成视轴偏移静态基准位置导致图像降质的原因。并针对不同频率下的振动模糊图像，通过提取条纹模板的区域轮廓特征，恢复不同频率下的振动模糊图像。实验结果表明：该算法适用不同频率的振动模糊图像的恢复，可靠性高，并可应用条纹模板实时补偿相机平台振动带来的测量误差，同时为相机平台的稳定设计提供理论依据，具有很好的工程应用价值。

关键词：振动模糊图像；视轴偏移；图像恢復；灰度均方差

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.268

0 引言

视觉测量在工业领域应用越来越广泛，相机在使用过程中，由于位置调整及外部冲击等随机因素的影响，严重影响了成像质量及测量精度，降低了图像的分辨率。即使通过一定的减振补偿，也不能完全消除振动等不确定因素给图像质量带来的影响，而实际测量过程中，对视轴的静态基准位置要求很高，其微小的偏移也会给图像带来不同程度的模糊，影响测量精度[1]。因此，研究振动对图像造成的降质及恢复有很好的工程实际意义，同时，对相机平台的设计也有一定的指导作用。

本文应用图像处理减振补偿的方法对相机平台的稳像设计提供理论依据及振动补偿，有效的将图像采集过程中的振动因素造成的视轴偏移进行补偿，消除了平台振动对图像分辨率造成的影响，具有很好的工程应用价值。

1 振动导致的降质分析

成像的感光单元与拍摄物体之间相对应，当目标和相机之间存在相对运动时，在一次曝光时间内，特定像素视场范围内所对应的目标偏离原始位置，对相邻几个像素曝光，最终导致图像模糊[2]。相机平台的振动等不稳定因素造成图像模糊，一般情况下，振动形式具有随机性，随进振动可视为若干正弦的叠加结果。正弦振动可分为低频、高频正弦振动，两者根据曝光时间和振动周期进行区分，当为低频正弦振动，振动的位移量是一个随机变量，其大小取决于在整个周期内出现的位置及与的比值，低频振动机理复杂，当在振动位移函数曲线的导数符号发生变化的点前后附近时，图像的模糊程度最小，而可能发生在的任何一个位置处出现，这种随机性，导致模糊参数很难准确求取。当为高频正弦振动，目标的相对位移为峰谷之间的最大位移[3]；根据上述分析可知，振动条件下的像移复杂多变，变化参数随机性强、计算量大，在实际计算中不容易实现。为了解决多变量作用下的振动模糊问题，应用图像复原补偿振动的方法解决振动条件下视轴偏移造成的图像模糊问题，以此来降低振动因素对相机在测量过程中的测量误差，提高测量精度[4]。

2 图像复原的方法

2.1 图像的获取

应用Halcon软件对图像进行处理，算法包含阈值分割，高斯滤波，二维边缘提取等。本文利用相机、激振器、计算机搭建了图像采集实验平台，合理的调整摄像机的位姿和图像的位置，通过read_image读取摄像机拍摄的图像。

2.2 提取图像的区域特征

首先将RGB图像转化成灰度图像，应用输入图像的灰度值和高斯滤波器进行灰度图像的平滑处理，可以有效减小噪声冲击的影响[5]。为了有效检测条纹区域的轮廓，应用threshold算子，选取合适的阈值范围就能得到黑色条纹所在区域region。

2.3 提取图像轮廓，分割轮廓

使用算子select_shape根据形状选择区域，从而进一步可将条纹的轮廓进行分割出来，从而消除了图像的拖影[6]。

3 实验结果及分析

基于上述的降质原因及算法分析，不仅对不同应用背景下的相机平台的稳定设计提供理论依据，还可分析振动频率对像质的影响，并可应用条纹模板来校正视轴抖动对成像质量的影响及测量过程的干扰程度，模糊程度不仅仅取决于频率[7]，还受光照变化和环境因素的影响，光线的变化导致相机在采集图像的亮度上有差别；当振动周期大于曝光时间，曝光时间内的目标运动发生在一个振动周期的某个地方，如果曝光时间的初始时刻不同那么像移量也是不相同的，从而造成低频振动模糊程度的随机性，应用本文算法克服了曝光时间初始时刻的确定，选择合适的阈值即可把高频、低频振动模糊图像的模糊区域去除，恢复原始图像。还可实时反馈校正相机平台振动造成的图像模糊，对实际测量过程有着很好的应用价值，能有效提高测量精度。

4 结论

本文分析了不同振动频率对图像降质的影响，提出了应用图像复原的方法，可实时补偿相机测量过程中振动因素造成的测量误差，为相机平台的稳定设计提供了依据。分析了高频振动和低频振动视轴偏移静态基准位置造成图像降质的原因。应用机器视觉理论，通过Halcon软件选择合适的阈值提取图像的轮廓特征，恢复振动模糊图像。与传统振动模糊图像复原方法比较，简化了低频振动曝光时间初始时刻的确定，该方法可灵活、有效的补偿振动造成的测量误差，提高测量精度。

参考文献：

[1]宋治，张天序，洪汉玉.单帧振动模糊图像的快速恢复算法[J].红外与激光工程，2003，32（05）：516-520.

[2]王晓燕，闫吉庆，唐义等.高频振动模糊图像仿真与分析[J].光学技术，2011，37（03）：346-350.

[3]Yitzhak Yitzhak，Boshusha G，Levy Y.Restoration of an image degraded by vibrations using only a single frame[J].OptEng，2000，39（08）：2083-2091.

[4]王婉婷，郭劲，姜振华等.视轴抖动对成像质量影响的研究[J].中国激光，2014，41（04）0409001-1-0409001-8.

[5]汪国宝，王石刚，于新瑞等.高频振动振幅的视觉测量[J].机械工程学报，2004，40（04）：85-88.

[6]樊超，李英才，易红伟.颤振对TDICCD相机像质的影响分析[J].光子学报，2007，36（09）：1714-1717.

[7]石俊霞，郭永飞，薛旭成等.航天时间延迟积分CCD相机振动模糊图像的恢复[J].光电子.激光，2012，23（03）：572-578.